(57)【要約】【課題】  電極材料であるＩｒとＩｒＯ２とのエッチングにおける側壁膜の形成を抑制し、上下電極間のリーク電流を低減したキャパシタを備える半導体装置を提供する。【解決手段】  半導体基板と、半導体基板の上方に形成されたＩｒとＩｒＯ２との積層膜を有する下部電極と、下部電極上に形成された金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成された貴金属膜からなる上部電極と、を備え、ＩｒとＩｒＯ２との積層膜の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。【選択図】      図１
2006245457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板と、
前記半導体基板の上方に形成されたＩｒとＩｒＯ２との積層膜を有する下部電極と、
前記下部電極上に形成された金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、
前記容量絶縁膜上に形成された貴金属膜からなる上部電極と、
を備え、
前記Ｉｒと前記ＩｒＯ２との積層膜の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする半導体装置。
【請求項２】
前記Ｉｒの膜厚は、１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記ＩｒＯ２の膜厚は、１ｎｍ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記下部電極は、前記Ｉｒの下面に積層する水素拡散防止膜と、前記ＩｒＯ２の上面に積層する貴金属膜と、をさらに備えることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記水素拡散防止膜は、ＴｉＡｌＮであることを特徴とする、請求項４に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記貴金属膜は、Ｐｔを主成分とすることを特徴とする、請求項１または４に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記金属酸化物誘電体は、ＳＢＴ系化合物、ＰＺＴ系化合物又はＢＬＴ系化合物の何れかであることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項８】
半導体基板に形成された電解効果トランジスタをさらに備え、前記下部電極と前記電解効果トランジスタの拡散層とがプラグによって接続されていることを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置。
【請求項９】
半導体基板を準備する工程と、
前記半導体基板の上方にＩｒとＩｒＯ２との積層膜を有する下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜を形成する工程と、
前記容量絶縁膜上に貴金属膜からなる上部電極を形成する工程と、
を含み、
前記Ｉｒと前記ＩｒＯ２との積層膜の膜厚を１００ｎｍ以下で形成することを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記Ｉｒの膜厚を１ｎｍ以上で形成することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１１】
前記ＩｒＯ２の膜厚を１ｎｍ以上で形成することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１２】
前記下部電極を形成する工程は、前記Ｉｒの下面に積層して水素拡散防止膜を形成する工程と、前記ＩｒＯ２の上面に積層して貴金属膜を形成する工程と、をさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１３】
前記水素拡散防止膜は、ＴｉＡｌＮであることを特徴とする、請求項１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１４】
前記貴金属膜は、Ｐｔを主成分とすることを特徴とする、請求項９または１２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１５】
前記金属酸化物誘電体は、ＳＢＴ系化合物、ＰＺＴ系化合物又はＢＬＴ系化合物の何れかであることを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１６】
前記下部電極を形成する工程、前記容量絶縁膜を形成する工程、及び前記上部電極を形成する工程において、ＴｉＮとＳｉＯ２との積層膜をエッチングマスクとして使用することを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１７】
半導体基板に電解効果トランジスタを形成する工程と、前記下部電極と前記電解効果トランジスタの拡散層とをプラグによって接続する工程と、をさらに含むことを特徴とする、請求項９に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置、特に、金属酸化物誘電体を用いるキャパシタを備えた半導体装置に関する。また、その製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属酸化物誘電体、特に、金属酸化物強誘電体（以下、強誘電体）を容量絶縁膜に用いるキャパシタは、強誘電体メモリを構成する重要な要素となっている。強誘電体キャパシタの構造にはいくつかの種類があるが、現在はスタック型のキャパシタ構造が主流となっている。スタック型の強誘電体キャパシタは、キャパシタの電極及び強誘電体膜をフィールド酸化膜やトランジスタのゲート電極の上方にまで延在させ、キャパシタの下部電極とトランジスタの拡散層とをプラグで接続するものである。これにより、キャパシタ電極間の対向面積を増大させて容量を増加させることができる一方で、メモリセル構造の占有面積を縮小させることができるという優れた特徴を有する。そのため、スタック型の強誘電体キャパシタは、半導体装置の高集積化に非常に適した構造とされている。
【０００３】
通常、金属酸化物である強誘電体を用いてキャパシタを形成する場合、強誘電体の焼結やエッチング後の特性回復のため、高温（６００〜８００℃）かつ酸素雰囲気中での熱処理が必要となる。そのため、強誘電体からなる容量絶縁膜に接する両電極には、耐酸化性に優れたＰｔ（白金）などの貴金属が用いられる。しかしながら、強誘電体キャパシタの電極材料であるＰｔは、耐酸化性に優れる一方で酸素透過性が高いという性質を有しており、プラグ上にＰｔからなる下部電極を直接形成すると、上述した酸素雰囲気中での熱処理において酸素が下部電極を透過してプラグが酸化され、プラグと下部電極との間で導通が取れなくなるという問題がある。そこで、Ｐｔからなる下部電極の下層に酸素透過性の低い貴金属膜、例えば、Ｉｒ（イリジウム）とＩｒＯ２（酸化イリジウム）との積層膜を形成し、プラグの酸化を防止する工夫がなされている。
【０００４】
ところで、強誘電体キャパシタの電極材料として用いられるＰｔやＩｒなどを含む貴金属膜のパターニングにおいては、それらの化学的反応性が低いため、従来は高い運動エネルギーを有するイオンを貴金属膜の表面に衝突させて貴金属原子を剥ぎ取る物理的エッチング、例えば、Ａｒガスによるイオンミリング法などが用いられてきた。しかしながら、イオンミリング法などの物理的エッチングにおいては、エッチングマスクや被加工物の側面にエッチングされた原子の一部が付着し、キャパシタの上部電極と下部電極との間でショートを引き起こすという問題があった。また、被加工物のエッチングと同時にエッチングマスクもエッチングされるため、被加工物とエッチングマスクとのエッチング選択比を大きく取ることが難しく、キャパシタを所望の断面形状に加工することは困難であった。そこで、塩素や塩素を含むガスなどを用い、加速イオンによる物理的作用と、被加工物との化学的作用との両方をエッチングメカニズムに利用する、いわゆる、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）の適用が試みられている。しかしながら、通常の反応性イオンエッチングでは、被加工物とエッチングマスクとのエッチング選択比を大きく取ることは可能ではあるが、イオンミリング法などの物理的エッチングと同様にエッチングマスクや被加工物の側面に反応生成物が再付着し、側壁膜を形成するという問題が依然として残されている。
【０００５】
貴金属膜をエッチング対象とし、エッチング時の反応生成物による側壁膜の形成を抑制する半導体装置の製造方法に関する発明が、例えば、特許文献１乃至３に記載されている。
【０００６】
特許文献１に記載の発明は、Ｐｔを主成分とする合金をエッチング対象とするエッチング方法であって、Ｐｔを主成分とする合金を形成した試料を３５０℃以上に加熱しながら、塩素を含むガスを用いた反応性イオンエッチングによりパターン加工している。これにより、エッチングレートを大きくすると共に、エッチングマスク側面へのＰｔの反応生成物の再付着を防止している。
【０００７】
特許文献２に記載の発明は、Ｐｔ薄膜をエッチング対象とするエッチング方法であって、Ｐｔ薄膜を形成した試料を２２０〜３４０℃に加熱しながら、塩素ガスまたは塩化ホウ素と不活性ガスとの混合ガスを用いた反応性イオンエッチングによりパターン加工している。これにより、エッチングマスク側面へのＰｔの反応生成物の再付着を防止している。
【０００８】
特許文献３に記載の発明は、例えば、ＩｒとＩｒＯ２との積層膜をエッチング対象とするエッチング方法であって、エッチングマスク側面及びエッチング対象膜側面に、エッチング対象膜と反応ガス（Ｃｌ２とＡｒとの混合ガス）とからなる反応生成物、例えば、ＩｒＣｌｘ（塩化イリジウム）を側壁膜として形成しながら反応性イオンエッチングによりパターン加工している。そして、エッチングマスクを除去するプラズマアッシング処理において、試料を２５０℃以上に加熱しながら酸素とフッ素原子とを含んだプラズマ、例えば、Ｏ２とＣＦ４（四フッ化炭素）との混合ガスによるプラズマに晒して側壁膜を除去している。このように、エッチング工程でエッチングマスク側面及びエッチング対象膜側面に付着した側壁膜を利用してエッチングを行い、プラズマアッシング工程でその側壁膜を除去することにより、異方性が高くかつ側壁膜のないエッチングを実現している。
【特許文献１】特開平７−１３０７１２（第３−４頁、第３図）
【特許文献２】特開平１１−１１１６９５号公報（第３−５頁、第２図）
【特許文献３】特開２００２−１１０６３３号公報（第２−４頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したように、電極材料に貴金属を使用する強誘電体キャパシタをエッチング加工する際、エッチングマスクや被加工物の側面にエッチング時の反応生成物による側壁膜が形成され、キャパシタの上部電極と下部電極との間でショートしてリーク電流が発生するという問題がある。特に、一般的な電極材料であるＰｔとエッチングガスとの反応生成物の蒸気圧に比べ、Ｉｒとエッチングガスとの反応生成物の蒸気圧は低いため、ＩｒやＩｒＯ２を材料とする膜のエッチング加工時にＩｒの反応生成物からなる側壁膜が形成されることを回避することは困難であった。
【００１０】
特許文献１に記載の発明は、Ｐｔを主成分とする合金をエッチング対象とするものであり、Ｐｔよりも蒸気圧の低いＩｒのエッチングにおける側壁膜の形成を抑制する方法や効果などについての記載は特になされていない。
【００１１】
特許文献２に記載の発明は、Ｐｔ薄膜をエッチング対象とするものであり、Ｐｔよりも蒸気圧の低いＩｒのエッチングにおける側壁膜の形成を抑制する方法や効果などについての記載は特になされていない。
【００１２】
特許文献３に記載の発明は、Ｉｒを始めとする貴金属材料をエッチング対象とするものであるが、エッチング対象膜と反応ガスとの反応生成物からなる側壁膜を形成しながらのパターン加工は制御性に問題があり、微細パターンの加工が困難であるものと思われる。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板と、半導体基板の上方に形成されたＩｒとＩｒＯ２との積層膜を有する下部電極と、下部電極上に形成された金属酸化物誘電体からなる容量絶縁膜と、容量絶縁膜上に形成された貴金属膜からなる上部電極と、を備え、ＩｒとＩｒＯ２との積層膜の膜厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る半導体装置によれば、下部電極におけるＩｒとＩｒＯ２との積層膜の上限膜厚を１００ｎｍ以下となるように規定する。これにより、Ｉｒ及びＩｒＯ２のエッチング加工時に、下部電極、容量絶縁膜及び上部電極の側面に形成されるＩｒとエッチングガスとの反応生成物による側壁膜を所定量以下に抑えることができる。言い換えると、たとえ下部電極、容量絶縁膜及び上部電極の側面にＩｒとエッチングガスとの反応生成物による側壁膜が形成されたとしても、上部電極と下部電極との間のリーク電流を基準値以下に抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
〔キャパシタ構造〕
図１は、本発明の一実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタ１１の構造図である。なお、図１では、説明の便宜上、強誘電体キャパシタ１１の構造以外に、強誘電体キャパシタ１１の下部に接続される電極（プラグ５）も破線で示してある。
【００１６】
強誘電体キャパシタ１１は、下部電極６と、下部電極６上に形成される容量絶縁膜７と、容量絶縁膜７上に形成される上部電極８とを備えている。
【００１７】
下部電極６は、下層から導電膜６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄの積層構造となっている。導電膜６ａは、強誘電体キャパシタ１１に接する絶縁膜、特に、プラグ５が形成された下層の絶縁膜（図示せず）から発生する水素及び水分の離脱・拡散により、容量絶縁膜７の材料である強誘電体の特性が劣化することを防止するための水素拡散防止膜であり、例えば、ＴｉＡｌＮ（窒化チタンアルミ）を材料としている。
【００１８】
導電膜６ｂは、導電膜６ａの下面に接続されるプラグ５に対する酸化防止膜であり、例えば、Ｉｒ（イリジウム）を材料としている。後の製造方法で詳細に説明するが、本発明においては、導電膜６ｂの下限膜厚を１ｎｍ、上限膜厚を導電膜６ｂと導電膜６ｃとの積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下となるように規定する。これにより、導電膜６ｂのエッチング加工において、強誘電体キャパシタ１１の側面に形成されるＩｒの反応生成物による側壁膜を所定量以下に抑えることができる。導電膜６ｃは、導電膜６ｂと同様にプラグ５に対する酸化防止膜であり、例えば、ＩｒＯ２（酸化イリジウム）を材料としている。後の製造方法で詳細に説明するが、本発明においては、導電膜６ｃの下限膜厚を１ｎｍ、上限膜厚を導電膜６ｂと導電膜６ｃとの積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下となるように規定する。これにより、導電膜６ｃのエッチング加工において、強誘電体キャパシタ１１の側面に形成されるＩｒの反応生成物による側壁膜を所定量以下に抑えることができる。ここで、酸化防止膜をＩｒからなる導電膜６ｂと、ＩｒＯ２からなる導電膜６ｃとの積層構造とするのは、１）プラグ５と導電膜６ｃ（ＩｒＯ２）との間に導電膜６ｂ（Ｉｒ）を介在させることにより、導電膜６ｃの材料であるＩｒＯ２中に含まれる酸素でプラグ５が酸化されることを防止するため、２）導電膜６ｂ（Ｉｒ）と導電膜６ｄとの間に導電膜６ｃ（ＩｒＯ２）を介在させることにより、導電膜６ｂの材料であるＩｒが上層の導電膜６ｄ中を拡散してさらに上層の容量絶縁膜７の材料である強誘電体と反応することを防止するため、の２つの理由によるものである。
【００１９】
導電膜６ｄは、下部電極６の主電極膜であり、耐酸化性に優れた貴金属、例えば、Ｐｔ（白金）を材料としている。本発明においては、導電膜６ｄの膜厚は特に規定しない。これは、後の製造方法で詳細に説明するが、導電膜６ｄの材料であるＰｔとエッチングガス（塩素系ガス）とからなる反応生成物のエッチング温度下（約４５０℃）での蒸気圧が高く、Ｐｔの反応生成物が容易に試料表面から蒸発するため、強誘電体キャパシタ１１の側面に再付着する割合がＰｔの膜厚に依存せずに小さくなるためである。
【００２０】
容量絶縁膜７は、ヒステリシス特性を有する強誘電体膜であり、例えば、ＳＢＴ（タンタル酸ストロンチウムビスマス：ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）系化合物やＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｔｉ，Ｚｒ）Ｏ３））系化合物、さらにはＢＬＴ（チタン酸ビスマスランタン：（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２）系化合物などを材料としている。容量絶縁膜７は、ＳＢＴ系化合物、ＰＺＴ化合物又はＢＬＴ系化合物の何れであっても良い。
【００２１】
上部電極８は、下部電極６における導電膜６ｄと同様に、耐酸化性に優れた貴金属、例えば、Ｐｔを材料としている。
【００２２】
〔製造方法〕
図２乃至４は、上述した強誘電体キャパシタ１１を備える半導体装置、すなわち、強誘電体メモリセル１００の一部の断面構造を製造工程順に簡略に示したものである。
【００２３】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１上にＭＯＳトランジスタ２を形成する。ＭＯＳトランジスタ２は、ゲート電極２ａと、ドレイン領域及びソース領域の拡散層２ｂとを備えている。なお、図２（ａ）で示すＭＯＳトランジスタ２は、説明の便宜上、一部の構成要素を省略して描いている。続いて、ＭＯＳトランジスタ２が形成された半導体基板１上に絶縁膜３を形成し、ホトリソグラフィー及びエッチングにより、ＭＯＳトランジスタ２のドレイン領域またはソース領域の拡散層２ｂの一部を露出するコンタクト孔４を形成する。続いて、コンタクト孔４の内部に、例えば、Ｗ（タングステン）を材料としてプラグ５を形成する。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、スパッタ法により、後の工程（図３（ｆ））で下部電極６となる導電膜６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄを順次形成する。導電膜６ａは、強誘電体メモリセル１００の製造工程中において、絶縁膜３などから発生する水素及び水分の離脱・拡散により、後の工程（図３（ｆ））で形成される容量絶縁膜７の材料である強誘電体膜７ａの特性が劣化することを抑制するための水素拡散防止膜であり、例えば、膜厚５０ｎｍのＴｉＡｌＮを材料とする。ＴｉＡｌＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットに組成が１：１のＴｉＮを使用し、スパッタリングガスにＡｒとＮ２との混合ガスを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー１ｋＷ、成膜温度を２００℃とする。導電膜６ｂは、プラグ５に対する酸化防止膜であり、例えば、膜厚５０ｎｍのＩｒを材料とする。Ｉｒ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＩｒを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー１ｋＷ、成膜温度を４００℃とする。導電膜６ｃは、下層の導電膜６ｂと同様にプラグ５に対する酸化防止膜であり、例えば、膜厚５０ｎｍのＩｒＯ２を材料とする。ＩｒＯ２膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＩｒを使用し、スパッタリングガスにＡｒとＯ２との混合ガスを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５００Ｗ、成膜温度を３５０℃とする。導電膜６ｄは、下部電極６における主電極膜であり、例えば、膜厚５０ｎｍのＰｔを材料とする。Ｐｔ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＰｔを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー１ｋＷ、成膜温度を２００℃とする。
【００２５】
ここで、本実施形態では、一例として、Ｉｒからなる導電膜６ｂの膜厚とＩｒＯ２からなる導電膜６ｃの膜厚とをいずれも５０ｎｍとしたが、実際にはそれぞれの下限膜厚及び上限膜厚を次のように規定する。まず、導電膜６ｂ及び６ｃの下限膜厚は、それぞれ１ｎｍと規定する。この下限膜厚は、スパッタ法による成膜の限界膜厚、すなわち、酸化防止膜としての所望の膜質を確保しつつ成膜を制御できる限界の膜厚に相当する。一方、導電膜６ｂ及び６ｃの上限膜厚は、導電膜６ｂ及び６ｃからなる積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下となるように規定する。この上限膜厚は、導電膜６ｂ及び６ｃからなる積層膜のトータル膜厚と、上部電極８と下部電極６との間で生じるリーク電流との関係を示す図５の実験結果から導かれる。
【００２６】
図５は、導電膜６ｂ（Ｉｒ）及び６ｃ（ＩｒＯ２）からなる積層膜のトータル膜厚を変化させた時の上部電極８と下部電極６との間のリーク電流の測定結果を示している。ここでのリーク電流の測定は、図５の右図に示すように、強誘電体キャパシタ１１の上部電極８と下部電極６との間に３Ｖの電圧を印可した時の上部電極８−下部電極６間に流れる電流を測定している。ここで、図５に示す実験結果においては、下部電極６の導電膜６ｄの材料であるＰｔとエッチングガス（塩素系ガス）との反応生成物による側壁膜の形成に起因するリーク電流も多少含まれているものと思われる。しかしながら、Ｐｔの反応生成物に起因するリーク電流は、Ｉｒの反応生成物に起因するリーク電流に比べてほとんど無視できるレベルであると思われる。これは以下の理由による。導電膜６ｄの材料であるＰｔとエッチングガス（塩素系ガス）との反応生成物の１気圧下での蒸発温度は３３０℃程度であるため、エッチング条件下（チャンバー内圧力１または２ｍＴｏｒｒ、ステージ温度４５０℃）におけるＰｔの反応生成物の蒸気圧はＩｒの反応生成物の蒸気圧よりも高くなる。そのため、エッチング加工時には、Ｐｔの反応生成物が試料表面から容易に離脱し、強誘電体キャパシタ１１の側面に再付着する割合は小さくなる。一方、導電膜６ｂ及び６ｃの主材料であるＩｒとエッチングガス（塩素系ガス）との反応生成物の１気圧下での蒸発温度は７５０℃程度であるため、エッチング条件下（チャンバー内圧力１または２ｍＴｏｒｒ、ステージ温度４５０℃）におけるＩｒの反応生成物の蒸気圧はＩｒの反応生成物の蒸気圧よりも低くなる。そのため、エッチング加工時には、Ｉｒの反応生成物は試料表面から離脱しにくく、強誘電体キャパシタ１１の側面に再付着するＩｒの反応生成物はＰｔの反応生成物よりも多くなる。従って、強誘電体キャパシタ１１の側面に形成される側壁膜の大部分がＩｒの反応生成物によるものと考えられ、Ｐｔの反応生成物による側壁膜がリーク電流に及ぼす影響はほとんど無視できるレベルであると思われる。以上の理由から、図５の実験結果は、リーク電流の導電膜６ｂ（Ｉｒ）及び６ｃ（ＩｒＯ２）の膜厚依存性のみを実質的に表した結果と見なすことができる。なお、本実験においては、導電膜６ｂ（Ｉｒ）及び６ｃ（ＩｒＯ２）以外の膜、すなわち、導電膜６ａ（ＴｉＡｌＮ）、導電膜６ｄ（Ｐｔ）、容量絶縁膜７（ＳＢＴ）及び上部電極８（Ｐｔ）の膜厚は全て一定としている。
【００２７】
図５の実験結果において、リーク電流の基準値を、強誘電体メモリ動作時の読み出しマージンが確保できるリーク電流値、すなわち、１０μＡ／ｃｍ２（１．０ｅ−５Ａ／ｃｍ２）とすると、ＩｒＯ２／Ｉｒ積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下の場合、リーク電流が基準値を下回ることが分かる。つまり、導電膜６ｂ（Ｉｒ）及び６ｃ（ＩｒＯ２）からなる積層膜のトータル膜厚を１００ｎｍ以下とすることにより、強誘電体キャパシタ１１のエッチング加工において、強誘電体キャパシタ１１の側面に形成されるＩｒとエッチングガス（塩素系ガス）との反応生成物による側壁膜を所定量以下に抑制することができる。言い換えると、たとえ強誘電体キャパシタ１１の側面にＩｒとエッチングガス（塩素系ガス）との反応生成物による側壁膜が形成されたとしても、上部電極８と下部電極６との間のリーク電流を強誘電体メモリの動作に影響を及ぼさないレベルにまで低減することができる。この実験結果より、導電膜６ｂ（Ｉｒ）及び６ｃ（ＩｒＯ２）の上限膜厚を、導電膜６ｂ及び６ｃからなる積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下となるように規定する。
【００２８】
次に、図２（ｃ）に示すように、後の工程（図３（ｆ））で容量絶縁膜７となる強誘電体膜７ａを形成する。強誘電体膜７ａは、例えば、膜厚９０〜１２０ｎｍのＳＢＴを材料とする。ＳＢＴ膜の形成では、ＳＢＴを溶解した前駆体溶液をスピン塗布して所定の熱処理により結晶化させる、いわゆるゾルゲル法を用いる。具体的には、ゾルゲル法を次の手順で３回繰り返してＳＢＴ膜を成膜する。第１回の成膜工程では、ＳＢＴを溶解した前駆体溶液を膜厚３０〜４０ｎｍで塗布し、焼成炉で７００℃、３０秒の酸素雰囲気中での熱処理を行う。第２回の成膜工程では、ＳＢＴを溶解した前駆体溶液を膜厚３０〜４０ｎｍで塗布し、焼成炉で７００℃、３０秒の酸素雰囲気中での熱処理を行う。第３回の成膜工程では、ＳＢＴを溶解した前駆体溶液を膜厚３０〜４０ｎｍで塗布し、焼成炉で８００℃、６０秒の酸素雰囲気中での熱処理を行う。続いて、スパッタ法により、後の工程（図３（ｆ））で上部電極８となる導電膜８ａを形成する。導電膜８ａは、上部電極８の主電極膜であり、例えば、膜厚５０ｎｍのＰｔを材料とする。Ｐｔ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＰｔを使用し、スパッタリングガスにＡｒを使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー１ｋＷ、成膜温度を２００℃とする。なお、導電膜８ａの上面に、導電膜８ａの材料であるＰｔと、主配線（図示せず）の材料であるＡｌとの反応を抑制するためのバリア膜、例えば、ＴｉＮ膜などを形成してもよい。
【００２９】
次に、図３（ｄ）に示すように、スパッタ法により導電膜９を形成し、プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により絶縁膜１０を形成する。導電膜９及び絶縁膜１０は、それぞれ後の工程（図３（ｆ））で導電膜６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、強誘電体膜７ａ及び導電膜８ａをパターン加工する際の２層構造のエッチングマスク９’及び１０’となる。導電膜９は、例えば、膜厚１００ｎｍのＴｉＮを材料とする。ＴｉＮ膜の形成では、例えば、スパッタリングターゲットにＴｉを使用し、スパッタリングガスにＮ２を使用する。成膜条件は、例えば、ＤＣパワー５ｋＷ、成膜温度を１００℃とする。絶縁膜１０は、例えば、膜厚１００ｎｍのＳｉＯ２を材料とする。ＳｉＯ２膜の形成では、例えば、ＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａ  Ｅｔｈｙｌ  Ｏｒｔｈｏ  Ｓｉｌｉｃａｔｅ）を使用する。
【００３０】
次に、図３（ｅ）に示すように、通常のホトリソグラフィー及びエッチングにより、絶縁膜１０及び導電膜９を順次パターン加工してエッチングマスク１０’及び９’を形成する。ＳｉＯ２からなる絶縁膜１０のエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃ４Ｆ８（オクタフルオロシクロブテン）とＡｒとＯ２との混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝２０／５００／１０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１．５ｋＷ、チャンバー内圧力４０ｍＴｏｒｒ、ステージ温度２０℃とする。ＴｉＮからなる導電膜９のエッチングに使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３（三塩化ホウ素）とＣｌ２との混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝２０／２０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７００Ｗ、チャンバー内圧力２ｍＴｏｒｒ、ステージ温度８０℃とする。導電膜９及び絶縁膜１０をパターン加工した後、導電膜９及び絶縁膜１０のエッチングに使用したレジストを、例えば、Ｏ２プラズマによるアッシングと、Ｈ２ＳＯ４（硫酸）溶液による洗浄とにより除去する。この段階で、導電膜９からなるエッチングマスク９’と、絶縁膜１０からなるエッチングマスク１０’との２層構造のエッチングマスクが形成される。
【００３１】
ここで、エッチングマスクをＴｉＮからなるエッチングマスク９’と、ＳｉＯ２からなるエッチングマスク１０’との２層構造とする理由を説明する。エッチングマスク９’の材料であるＴｉＮは、導電膜６ａ（ＴｉＡｌＮ）、導電膜６ｂ（Ｉｒ）、導電膜６ｃ（ＩｒＯ２）、導電膜６ｄ（Ｐｔ）、強誘電体膜７ａ（ＳＢＴ）及び導電膜８ａ（Ｐｔ）の各材料とのエッチング選択比が高い材料である。そのため、ＴｉＮをエッチングマスクに使用することで異方性の高いエッチングを行うことができ、キャパシタを所望の断面形状に加工することが可能となる。しかしながら、ＴｉＮからなるエッチングマスク９’を露出した状態でエッチングを行うと、エッチングによりエッチングマスク９’の肩部が削られ後退する虞がある。そこで、ＴｉＮからなるエッチングマスク９’の上に、ＳｉＯ２からなるエッチングマスク１０’を積層してエッチングマスク９’の後退を抑制するのである。
【００３２】
次に、図３（ｆ）に示すように、エッチングマスク９’及び１０’を用いて、導電膜８ａ（Ｐｔ）→強誘電体膜７ａ（ＳＢＴ）→導電膜６ｄ（Ｐｔ）→導電膜６ｃ（ＩｒＯ２）→導電膜６ｂ（Ｉｒ）→導電膜６ａ（ＴｉＡｌＮ）のように順次エッチングしてパターン加工する。ここで、導電膜８ａのエッチングと、強誘電体膜７ａのエッチングと、導電膜６ｄ、６ｃ、６ｂ及び６ａのエッチングとは別条件で行われるが、導電膜６ｄ、６ｃ、６ｂ及び６ａのエッチングは全て同一条件で行われるため、エッチング工程としては３ステップとなる。Ｐｔからなる導電膜８ａのエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃｌ２とＯ２との混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃｌ２／Ｏ２＝５／１５ｓｃｃｍ、１３．５６ＭＨｚのＲＦパワー１ｋＷ、４５０ｋＨｚのＲＦパワー１００Ｗ、チャンバー内圧力２ｍＴｏｒｒ、ステージ温度４５０℃とする。なお、Ｃｌ２とＯ２との混合ガスを使用する代わりに、Ｃｌ２とＡｒとの混合ガスまたはＣｌ２とＯ２とＡｒとの混合ガスを使用することも可能である。ＳＢＴ膜からなる強誘電体膜７ａのエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃｌ２とＡｒとの混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃｌ２／Ａｒ＝１０／１０ｓｃｃｍ、１３．５６ＭＨｚのＲＦパワー５５０Ｗ、４５０ｋＨｚのＲＦパワー１２０Ｗ、チャンバー内圧力１ｍＴｏｒｒ、ステージ温度８０℃とする。なお、Ｃｌ２とＡｒとの混合ガスを使用する代わりに、Ｃｌ２の単体ガス、Ｃｌ２とＯ２との混合ガスまたはＣｌ２とＯ２とＡｒとの混合ガスを使用することも可能である。Ｐｔ膜からなる導電膜６ｄ、ＩｒＯ２膜からなる導電膜６ｃ、Ｉｒ膜からなる導電膜６ｂ、及びＴｉＡｌＮ膜からなる導電膜６ａのエッチングに使用するガスは、例えば、Ｃｌ２とＯ２との混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃｌ２／Ｏ２＝５／１５ｓｃｃｍ、１３．５６ＭＨｚのＲＦパワー１ｋＷ、４５０ｋＨｚのＲＦパワー１００Ｗ、チャンバー内圧力１または２ｍＴｏｒｒ、ステージ温度４５０℃とする。なお、Ｃｌ２とＯ２との混合ガスを使用する代わりに、Ｃｌ２とＯ２とＡｒとの混合ガスを使用することも可能である。この段階で、導電膜６ａ、６ｂ、６ｃ及び６ｄからなる下部電極６と、強誘電体膜７ａからなる容量絶縁膜７と、導電膜８ａからなる上部電極８とが形成される。
【００３３】
ここで、図２（ｂ）の工程で既述したように、Ｉｒ膜からなる導電膜６ｂの膜厚は５０ｎｍ、ＩｒＯ２膜からなる導電膜６ｃの膜厚は５０ｎｍであり、導電膜６ｂ及び６ｃからなる積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下の条件を満たしている。そのため、導電膜６ｄ、６ｃ、６ｂ及び６ａの一括エッチングにおいては、下部電極６、容量絶縁膜７及び上部電極８の側面に形成されるＩｒとエッチングガスとの反応生成物による側壁膜は所定量以下となる。言い換えると、たとえ下部電極６、容量絶縁膜７及び上部電極８の側面にＩｒとエッチングガスとの反応生成物による側壁膜が形成されたとしても、上部電極８と下部電極６との間のリーク電流値は強誘電体メモリの動作に影響を及ぼさないレベルにまで低減される。
【００３４】
次に、図４（ｇ）に示すように、エッチングマスク９’及び１０’を除去する。ＳｉＯ２からなるエッチングマスク１０’の除去に使用するガスは、例えば、Ｃ４Ｆ８とＡｒとＯ２との混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量Ｃ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２＝２０／５００／１０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー１．５ｋＷ、チャンバー内圧力４０ｍＴｏｒｒ、ステージ温度２０℃とする。ＴｉＮからなるエッチングマスク９’の除去に使用するガスは、例えば、ＢＣｌ３とＣｌ２との混合ガスを使用する。エッチングの条件は、例えば、ガス流量ＢＣｌ３／Ｃｌ２＝２０／２０ｓｃｃｍ、ＲＦパワー７００Ｗ、チャンバー内圧力２ｍＴｏｒｒ、ステージ温度８０℃とする。この段階で、下部電極６と、容量絶縁膜７と、上部電極８とで構成される強誘電体キャパシタ１１が形成される。
【００３５】
以降、さらに層間絶縁膜の形成、主配線の形成などが行われて強誘電体メモリセル１００が完成するが、本発明に直接関係する部分ではないため説明を省略する。
【００３６】
〔作用効果〕
本発明の一実施形態によれば、Ｉｒからなる導電膜６ｂとＩｒＯ２からなる導電膜６ｃとの下限膜厚をそれぞれ１ｎｍと規定し、さらに、上限膜厚を導電膜６ｂ及び６ｃの積層膜のトータル膜厚が１００ｎｍ以下となるように規定する。これにより、導電膜６ｂ及び６ｃのプラグ５に対する酸化防止膜としての機能を確保しつつ、導電膜６ｂ及び６ｃのエッチング加工時に強誘電体キャパシタ１１の側面に形成されるＩｒとエッチングガスとの反応生成物による側壁膜を所定量以下に抑制することができる。言い換えると、たとえ強誘電体キャパシタ１１の側面にＩｒとエッチングガスとの反応生成物による側壁膜が形成されたとしても、上部電極８と下部電極６との間のリーク電流を強誘電体メモリの動作に影響を及ぼさないレベルにまで低減することができる。これにより、強誘電体メモリの信頼性並びに製造歩留まりを向上させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】一実施形態に係る半導体装置に用いられる強誘電体キャパシタの構造図。
【図２】一実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図３】一実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図４】一実施形態に係る半導体装置の製造工程図。
【図５】ＩｒＯ２／Ｉｒ積層膜のトータル膜厚と上下電極間のリーク電流との関係を示す図。
【符号の説明】
【００３８】
１・・・半導体基板
２・・・ＭＯＳトランジスタ
２ａ・・・ゲート電極
２ｂ・・・拡散層
３、１０・・・絶縁膜
４・・・コンタクト孔
５・・・プラグ
６・・・下部電極
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、８ａ、９・・・導電膜
７・・・容量絶縁膜
７ａ・・・強誘電体膜
８・・・上部電極
９’、１０’・・・エッチングマスク
１１・・・強誘電体キャパシタ
１００・・・強誘電体メモリセル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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